探究高效闭式冷却塔的优化设计及节能运行

梁慧超

（大同煤业金鼎活性炭有限公司，山西大同 037003）

闭式冷却塔也被人们称作是蒸发式冷却器，在应用操作的时候会将风冷、水冷、传热等融合在一起，是水冷式冷却器和凉水塔等一体化结构的高效冷却设备，在应用的时候会利用水的蒸发潜热带走工艺流体热量，从而实现对工艺流体的冷却。闭式冷却塔在应用操作过程中具有节能、节水、结构紧凑、占地面积小、使用费用低的特点[1]。在节能减排发展要求下，闭式冷却塔也被提出了高效设计的要求，即管内工质所释放的热量在被空气全部带走的时候，空气恰好达到饱和状态，且在这个状态下所花费的制造费用和运行成本费用最低。闭式冷却塔内部传热传质性能的优劣深刻影响其冷性能和节能成效[2]。为此，高效闭式冷却塔的设计需要充分考虑冷却塔内部的传热性质。

1 对闭式冷却塔内部换热模型

（1）对闭式冷却塔内部换热模型的建立

结合前人的研究结果，在考虑水分蒸发质量变化情况下，对冷却塔的换热模型进行了优化处理。根据冷却塔内部复杂的传热传质过程构造闭式冷却塔内部换热物理模型。闭式冷却塔内部换热物理系统主要包含冷却盘管内冷却水与管外喷淋水传热过程、管外喷淋水膜和空气之间的热质传递过程[3]。在模型建立的时候做出以下的假设：第一，在稳定的条件下进行传热传质；第二，在一定的温度下，物性参数不会随着温度发生变化；冷却水温度、喷淋水温度简化为一维模型。结合守恒定律建立了较为准确的传热传质微分方程组。空气的得热量计算如式（1）所示。管外喷淋水的热量微分方程如式（2）所示。管外喷淋水质量的变化如式（3）所示。管内冷却水失去的热量如式（4）所示。空气比焓值和含湿量由塔底向塔顶呈现出逐渐上升的发展趋势，空气因为系数盘管外喷淋水而使得其含湿量增加。微分方程（1）、（2）、（3）、（4）共同构成了闭式冷却塔的换热数学模型。

其中：Qwa是空气得热量（W）；mda是干空气质量流量（kg/s）；hwa是空气的比焓 （J/kg）；σ是体积质传递系数（kg/m3）；f是横截面积（m2）；z是距冷却塔塔顶的距离（m）；h＊是管外喷淋水温度下饱和湿空气的比焓。

其中：QW是喷淋水得热量（W）；cw是水的比热（J/kgK）；tw是喷淋水温（℃）；mw是喷淋水质量流量（℃）；QCW是管内冷却水失去的热量（W）。

其中：（x″是喷淋水温对应的饱和空气的含湿量（g/kg）；x是空气含湿量（g/kg）。

其中：mcw是管内冷却水的质量流量（kg/s）；hcw是冷却水的比焓（J/kg）；tcw是冷却水温度（℃）；k是传热系数（W/m2）；α是单位体积内的有效传热面积（m2）。

（2）闭式冷却塔供冷性能分析

闭式却塔在相同的冷却水入口温度下出口温度越低，证明其冷却能力和供冷性能越好。对于结构尺寸一定的闭式冷却塔来讲，影响其冷性能的主要参数包含入口空气干湿球温度、喷淋水量、空气流量等[4]。任何一个参数的变化在某种程度上都会影响冷却塔冷却水出口温度和供冷性能。根据上文构造的模型能够求出空气湿球温度。伴随喷淋水量的增加，冷却水的出口温度会减少，放热量会增加，冷却能力由此提升[5]。

2 高效闭式冷却塔的优化设计模型

（1）热质分析与设计计算

闭式冷却塔传热过程包括工质在管内的冷却、工质发出热量从管内到管外水膜的传输、水膜非饱和和蒸发状态下空气带走水膜的蒸发热，换热量Q可以表示为Q=Cρpqmp（tpi-tpa）。tpi、tpa是管内工质的进出口温度（℃）；qmp是工质的质量流量（kg/s）；Cρp是工质的比定压热容（kg·℃）。水膜传质系数 hd的经验关系式是hd=0.049。空气侧换热面积A以及空气与水膜的接触面积 Aa分别如（5）、（6）所示。

（2）优化方案

通过调节设计过程中参数的取值来降低盘管换热面积、换热部件的压降，从而达到经济节能的发展目的。根据最优化原理，目标函数A、dp、dp，控制变量Vp，由此判断目标函数的影响程度，得到最优化的运行参数。

3 闭式冷却塔运行参数最优化

为了能够让设计的闭式冷却塔在满足换热要求的同时能耗消耗降低到最小，需要对各个运行参数对设计过程的影响程度进行分析。文章选择应用φ25 mm×φ2.5 mm紫铜管，错落有致的安排布置，铜管之间的间距是50 mm，排距是43 mm，管内外污垢的热阻取值是0.000 4 J/（m2s℃），因此确定设计换热量约为1 841 kW[6]。

（1）工质流速

管内工质流速对管程压降、管内工质流速对外掠管束压降，dp1会随着Vp的增加而增加，和管程压降同流速的二次方呈现正比关系[7]。在一定流速范围内，Vp对dp不会产生影响。为了满足尽量以较小的A获得较大的K，Vp取两条曲线的相交点，即在1.2 m/s的情况下最为合适。

（2）喷淋密度

Γ对dp基本不存在影响，在Γ大概等于0.065的时候，dp1和dp会突然变小，而出现这种情况的原因是管程数的变化[8]。

（3）迎面风速

dp1会随着Va的增长而出现震荡减小的情况，出现这种情况的原因是Va的增加加强了空气的湍流度，提升了换热效率，对于确定的K相当于减少了流速Vp，dp1也会因此而减少。dp随着Va的增长而振荡增加，这是因为dp和空气流量qma成正比，对于确定纯的盘管dp也和Va呈现出正比关系。

4 结束语

综上所述，在一定的范围内，为了使设计换热面积和压降综合最小，运行参数和推荐数值分别是：工质流速1.2 m3/s、喷淋密度0.12 kg/ms、迎面风速3 m3/s、配风量150～200 m3（kWh）。在这样的要求下能够使闭塔换热面积和压降综合达到最小，从而有效节省闭塔投资成本和运行综合费用。